Die Suche nach fehlenden Mini-Schwarzen Löchern, die der Urknall hinterlassen hat, wird sich möglicherweise intensivieren.
Gerade als die Flugbahn solch winziger Schwarzer Löcher erkaltet zu sein scheint, hat ein internationales Wissenschaftlerteam Beweise in der Quantenphysik gefunden, die den Fall neu aufrollen könnten. Ein Grund, warum die Suche nach sogenannten ursprünglichen Schwarzen Löchern so dringend ist, besteht darin, dass sie als potenzielle Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen wurden.
Dunkle Materie macht 85 % der Masse des Universums aus, interagiert jedoch nicht mit Licht, wie es bei alltäglicher Materie der Fall ist. Das ist der Stoff aus Atomen, aus dem Sterne, Planeten, Monde und unser Körper bestehen. Allerdings interagiert die Dunkle Materie mit der Schwerkraft, und dieser Effekt kann auftreten Auswirkungen „Gewöhnliche Materie“ und Licht. Perfekt für kosmische Detektivarbeit.
Wenn es schwarze Löcher aus dem Urknall gäbe, wären sie sehr klein – einige so klein wie ein Zehncentstück – und hätten daher Massen, die denen von Asteroiden oder Planeten entsprechen. Allerdings wie ihre größeren Gegenstücke, Schwarze Löcher mit Sternmasse, die das 10- bis 100-fache der Sonnenmasse haben können, supermassive Schwarze Löcher, die Millionen oder sogar Milliarden Mal die Masse der Sonne haben können, und Mini-Schwarze Löcher von der Sonne . Der Anbruch der Zeit wird von einer lichteinfangenden Oberfläche umgeben sein, die als Ereignishorizont bezeichnet wird. Der Ereignishorizont verhindert, dass Schwarze Löcher Licht aussenden oder reflektieren, was kleine ursprüngliche Schwarze Löcher zu starken Kandidaten für Dunkle Materie macht. Sie mögen klein genug sein, dass es niemand bemerkt, aber stark genug, um den Weltraum zu beeinflussen.
Verwandt: Kleine Schwarze Löcher, die der Urknall hinterlassen hat, könnten die Hauptverdächtigen in der Dunklen Materie sein
Das Wissenschaftlerteam – vom Research Center for the Early Universe (RESCEU) und dem Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU, WPI) an der Universität Tokio – wandte einen theoretischen Rahmen an, der klassische Feldtheorie und kombiniert Einsteins eigene Theorie. Relativitätstheorie und Quantenmechanik bis zum frühen Universum. Letzteres erklärt das Verhalten von Teilchen wie Elektronen und Quarks und führt zur sogenannten Quantenfeldtheorie (QFT).
Die Anwendung der QFT auf das entstehende Universum führte das Team zu der Annahme, dass es im Universum weitaus weniger hypothetische ursprüngliche Schwarze Löcher gibt, als viele Modelle derzeit schätzen. Wäre dies der Fall, wäre die Existenz ursprünglicher Schwarzer Löcher als Dunkle Materie gänzlich ausgeschlossen.
„Wir nennen sie urzeitliche Schwarze Löcher, und viele Forscher glauben, dass sie starke Kandidaten für Dunkle Materie sind, aber es müsste viele davon geben, um diese Theorie zu erfüllen“, sagte Jason Christiano, ein Doktorand an der Universität Tokio. Das sagte er in einer Erklärung. „Es ist auch aus anderen Gründen interessant. Seit der jüngsten Innovation in der Gravitationswellenastronomie wurden Verschmelzungen binärer Schwarzer Löcher entdeckt, die erklärt werden könnten, wenn urzeitliche Schwarze Löcher in großer Zahl existieren.
„Aber trotz dieser starken Gründe für ihre vorhergesagte Häufigkeit haben wir keines davon direkt gesehen, und jetzt haben wir ein Modell, das erklären sollte, warum dies geschieht.“
Gehen Sie zurück zum Urknall, um nach ursprünglichen Schwarzen Löchern zu suchen
Die beliebtesten Modelle der Kosmologie gehen davon aus, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren in einer anfänglichen Phase rascher Inflation entstand: dem Urknall.
Nachdem bei dieser anfänglichen Expansion die ersten Teilchen im Universum aufgetaucht waren, wurde der Weltraum schließlich kalt genug, um Elektronen und Protonen zu ermöglichen, sich zu verbinden und die ersten Atome zu bilden. Damals wurde das Element Wasserstoff geboren. Darüber hinaus war Licht vor dieser Abkühlung nicht in der Lage, durch das Universum zu wandern. Dies liegt daran, dass Elektronen Photonen, Lichtteilchen, endlos streuen. Daher war das Universum während dieser dunklen Zeitalter im Wesentlichen dunkel.
Sobald sich die freien Elektronen jedoch an die Protonen binden konnten und aufhörten, herumzuspringen, konnte sich das Licht endlich frei bewegen. Nach diesem Ereignis, das als „letzte Streuung“ bezeichnet wird, und während der folgenden Periode, die als „Ära der Reionisierung“ bekannt ist, wurde das Universum sofort für Licht transparent. Das erste Licht, das zu dieser Zeit durch das Universum schien, kann heute noch als weitgehend gleichmäßiges Strahlungsfeld gesehen werden, ein globales „Fossil“, das als kosmischer Mikrowellenhintergrund oder CMB bezeichnet wird.
In der Zwischenzeit bildeten die erzeugten Wasserstoffatome die ersten Sterne, die ersten Galaxien und die ersten Galaxienhaufen. Sicherlich scheinen einige Galaxien mehr Masse zu haben, als ihre sichtbaren Bestandteile ausmachen können, und dieser Überschuss wird ausschließlich der Dunklen Materie zugeschrieben.
Während Schwarze Löcher mit stellarer Masse durch den Zusammenbruch und Tod massereicher Sterne entstehen und supermassereiche Schwarze Löcher durch aufeinanderfolgende Verschmelzungen kleinerer Schwarzer Löcher entstehen, existieren ursprüngliche Schwarze Löcher vor Sternen und müssen daher einen eindeutigen Ursprung haben.
Einige Wissenschaftler glauben, dass die Bedingungen im heißen, dichten frühen Universum so waren, dass kleinere Materieflecken unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren konnten, um diese winzigen Schwarzen Löcher hervorzubringen, deren Ereignishorizont nicht breiter als ein Zehncentstück oder vielleicht kleiner als ein Proton war , abhängig. Blockiere sie.
Das Team hinter dieser Forschung hatte zuvor Modelle ursprünglicher Schwarzer Löcher im frühen Universum untersucht, aber diese Modelle passten nicht zu den CMB-Beobachtungen. Um dies zu korrigieren, haben Wissenschaftler Korrekturen an der führenden Theorie der ursprünglichen Entstehung Schwarzer Löcher vorgenommen. Von QFT gemeldete Korrekturen.
„Am Anfang war das Universum unglaublich klein, viel kleiner als die Größe eines einzelnen Atoms. Die kosmische Inflation weitete sich schnell um 25 Größenordnungen aus“, sagte Kavli IPMU und RESCEU-Direktor Jun’ichi Yokoyama in der Erklärung. „Damals hätten Wellen, die sich durch einen so kleinen Raum ausbreiteten, relativ große Amplituden, aber sehr kurze Wellenlängen gehabt.“
Das Team fand heraus, dass diese kleinen, aber starken Wellen verstärkt werden können, um zu viel größeren und längeren Wellen zu werden, was Astronomen im aktuellen CMB sehen. Das Team glaubt, dass diese Verstärkung das Ergebnis der Kohärenz zwischen frühen Kurzwellen ist, die mit QFT erklärt werden kann.
„Während einzelne kurze Wellen relativ machtlos wären, hätten zusammenhaltende Gruppen die Fähigkeit, Wellen zu bilden, die viel größer sind als sie selbst“, sagte Yokoyama. „Dies ist ein seltenes Beispiel, bei dem eine Theorie von etwas auf einer extremen Skala etwas am anderen Ende der Skala zu erklären scheint.“
Wenn die Theorie des Teams, dass frühe, kleinräumige Fluktuationen im Universum zunehmen und großräumige Fluktuationen im CMB beeinflussen könnten, richtig ist, würde dies Auswirkungen darauf haben, wie Strukturen im Universum wachsen. Die Messung von CMB-Fluktuationen kann dabei helfen, das Ausmaß der ursprünglichen Fluktuationen im frühen Universum einzuschränken. Dies wiederum schränkt Phänomene ein, die auf kürzeren Fluktuationen beruhen, wie etwa urzeitliche Schwarze Löcher.
„Es wird allgemein angenommen, dass der Zusammenbruch kurzer, aber starker Wellenlängen im frühen Universum zur Entstehung ursprünglicher Schwarzer Löcher geführt hat“, sagte Christiano. „Unsere Studie legt nahe, dass es weitaus weniger ursprüngliche Schwarze Löcher geben sollte, als nötig wäre, wenn sie tatsächlich starke Kandidaten für Dunkle Materie oder Gravitationswellenereignisse wären.“
Ursprüngliche Schwarze Löcher sind derzeit bestätigte Hypothesen. Dies liegt daran, dass es aufgrund der lichteinfangenden Natur von Schwarzen Löchern mit stellarer Masse schwierig ist, diese größeren Objekte zu sehen. Stellen Sie sich also vor, wie schwierig es wäre, ein Schwarzes Loch mit einem Ereignishorizont von der Größe eines Cents zu entdecken.
Der Schlüssel zur Entdeckung ursprünglicher Schwarzer Löcher liegt möglicherweise nicht in der „konventionellen Astronomie“, sondern in der Messung winziger Wellen in der Raumzeit, den sogenannten Gravitationswellen. Während aktuelle Gravitationswellendetektoren nicht empfindlich genug sind, um Wellen in der Raumzeit zu erkennen, die durch kollidierende urzeitliche Schwarze Löcher verursacht werden, werden zukünftige Projekte wie die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) die Gravitationswellenerkennung in den Weltraum bringen. Dies könnte dazu beitragen, die Theorie des Teams zu bestätigen oder zu widerlegen, und Wissenschaftler näher an die Bestätigung bringen, ob urzeitliche Schwarze Löcher für die Dunkle Materie verantwortlich sein könnten.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Mittwoch (29. Mai) in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
„Amateur-Organisator. Möchtegern-Bier-Evangelist. Allgemeiner Web-Fan. Zertifizierter Internet-Ninja. Begeisterter Leser.“
More Stories
Die Falcon-9-Rakete von SpaceX stoppt vor dem Start, ein Milliardär auf einer Sondermission
Fossilien zufolge wurde eine prähistorische Seekuh von einem Krokodil und einem Hai gefressen
Die Federal Aviation Administration fordert eine Untersuchung des Misserfolgs bei der Landung der Falcon-9-Rakete von SpaceX